微通道熱管技術(shù)正引領多個行業(yè)邁向更高效、更環(huán)保的未來。在制冷空調(diào)領域，微通道換熱器以其高效傳熱與緊湊設計，成為提升能效的關(guān)鍵；在通信與電子行業(yè)，它有效解決了高密度設備散熱難題，助力綠色節(jié)能；交通運輸業(yè)中，微通道換熱器助力新能源汽車及傳統(tǒng)車輛空調(diào)系統(tǒng)升級，同時拓展至軌道交通與航空領域。化工與能源行業(yè)同樣受益，微通道技術(shù)提高了熱交換效率，促進了清潔能源的高效利用。此外，在生物醫(yī)療領域，微通道技術(shù)的精確溫控為藥物傳遞、細胞培養(yǎng)等提供了新可能。

1. 項目背景

環(huán)路熱管是指一種回路閉合環(huán)型熱管。一般由蒸發(fā)器、冷凝器、儲液器以及蒸氣和液體管線構(gòu)成。其工作原理為：對蒸發(fā)器施加熱載荷，工質(zhì)在蒸發(fā)器毛細芯外表面蒸發(fā)，產(chǎn)生的蒸氣從蒸氣槽道流出進入蒸氣管線，繼而進入冷凝器冷凝成液體并過冷，回流液體經(jīng)液體管線進入液體干道對蒸發(fā)器毛細芯進行補給，如此循環(huán)，而工質(zhì)的循環(huán)由蒸發(fā)器毛細芯所產(chǎn)生的毛細壓力驅(qū)動，無需外加動力。由于冷凝段和蒸發(fā)段分開，環(huán)路式熱管廣泛應用于能量的綜合應用以及余熱的回收。

環(huán)路熱管能將制冷機的冷量遠距離傳輸至受控元件,同時隔離制冷機對光學系統(tǒng)的電磁和機械震動干擾，環(huán)路熱管管線具有一定的柔性，方便在航天器內(nèi)靈活布局。

由于冷凝段和蒸發(fā)段分開，環(huán)路式熱管廣泛應用于能量的綜合應用以及余熱的回收。但是其結(jié)構(gòu)緊湊、面對長距離以及多點復雜的高熱流密度熱源的散熱現(xiàn)象，普通的測量設備很難精確的測量相變過程的溫度、速度等參數(shù)的變化；同時試驗的周期較長，費用很高，導致研發(fā)周期和成本都急劇增加。

針對上述現(xiàn)象，用戶單位某物理研究所提出需要環(huán)路熱管相變換熱整體解決方案，幫助其在熱管的研發(fā)設計前期，用仿真替代一部分試驗，縮短研發(fā)周期。

項目目標

積鼎基于公司現(xiàn)有的VirtualFlow軟件，通過對兩相流動的毛細力和沸騰換熱、冷凝換熱的研究，完善相關(guān)的求解算法和物性參數(shù)庫，形成熱管相變冷卻的整體解決方案。其可用于模擬吸液芯的毛細現(xiàn)象、蒸發(fā)管的沸騰、冷凝器的冷凝等復雜現(xiàn)象，解決熱管試驗參數(shù)不易測量和試驗成本高等問題。

軟件可以對流體回路的部件及換熱器等進行微觀的氣液兩相、單相、流固耦合等模擬仿真計算，提取所仿真的物理現(xiàn)象及趨勢，并能與理論計算比較驗證。

2. 解決方案及優(yōu)勢

主要算法和計算流程

軟件具備在含有不凝性氣體的工質(zhì)中計算蒸發(fā)及冷凝相變的能力，適用于蒸發(fā)器、冷凝器等存在不凝性氣體的設備的相變計算。采用該軟件進行不凝性氣體凝結(jié)和蒸發(fā)相變數(shù)值模擬時，多相流模型均采用mixture模型，并啟用組分輸運模型，分別求解連續(xù)方程、體積分數(shù)方程、動量方程、能量方程和組分擴散方程，蒸發(fā)和冷凝過程中的相變通過UDF（User Define Function）在體積分數(shù)方程、能量方程和組分輸運方程中分別添加質(zhì)量源項、能量源項和相等的質(zhì)量源項實現(xiàn)。本軟件提供組分輸運模型，其為基于組分質(zhì)量分數(shù)的輸運方程解，可利用預先定義的蒸發(fā)及冷凝機制對蒸發(fā)及冷凝過程進行模擬。在自研軟件中考慮到多組分的輸運時，將混合氣體作為一個研究的整體，利用多組分模型可以很好地解決含有兩種或者兩種以上組分的系統(tǒng)。當啟用多組分輸運模型后需要注意對于該混合物體系的控制方程求解，其中同樣包括連續(xù)性方程、動量方程以及多組分方程。

軟件計算結(jié)果

蒸發(fā)器部件仿真結(jié)果顯示，壁溫結(jié)果與實驗趨勢一致。冷凝器部件仿真結(jié)果顯示，壁溫結(jié)果與實驗趨勢一致。下面為具體的計算計算結(jié)果。

在50W功率下2D軸對稱條件下，蒸發(fā)器內(nèi)的流場最終達到穩(wěn)態(tài)。同樣這里也重新定義了入口的質(zhì)量流量。設置孔徑

計算的結(jié)果如下圖。

【蒸發(fā)器計算】

蒸發(fā)器的液相體積分數(shù)

蒸發(fā)器內(nèi)各統(tǒng)計量隨時間的變化：a)相變速率；b)液體/氣體總體積；c)質(zhì)量流量 蒸發(fā)器壁溫計算結(jié)果與測量結(jié)果比較

該算例采用了可壓縮勻相流計算模型，采用3D模型計算丙烯工況。計算冷凝器的結(jié)果如下。仿真結(jié)果中的溫度為橫截面上的流體均溫，可以比壁溫溫度高在冷凝器下游測量溫度升至230K，仿真中下游流體均溫保持不變。未考慮與外界環(huán)境的換熱。

?(a)各測點對應關(guān)系 (b)各測點截面內(nèi)的流體平均溫度

【整機仿真】

環(huán)路熱管的整個系統(tǒng)仿真結(jié)果如下，整機仿真結(jié)果顯示，隨著熱流密度的增高，冷凝器中的液體體積先減后增。

方案優(yōu)勢

針對環(huán)路熱管的計算，方案的主要特色與優(yōu)勢如下：

軟件具備氣液兩相模型，可模擬微納米尺度如空隙尺度的多孔介質(zhì)、微納結(jié)構(gòu)等吸液芯的毛細潤濕和蒸發(fā)過程；可以考慮并預測毛細能力及蒸發(fā)換熱性能。

支持在微通道納米尺度中計算兩相相變，可用于表面凝結(jié)和核態(tài)沸騰的相變過程計算，以及計算在相變過程中的換熱情況。

支持Lee模型與RPI壁面沸騰模型，可根據(jù)此對池沸騰及大空間冷凝相變進行數(shù)值模擬。

在處理熱虹吸問題時，通過模擬蒸發(fā)相變，觸發(fā)熱虹吸效應，進而研究熱邊界及固體結(jié)構(gòu)對虹吸過程流量、流速的影響。

可根據(jù)計算的兩相流動狀態(tài)自動切換所采用的兩相流模型，適用的多相流典型形態(tài)包括界面流、離散相以及混合流，在實際多相流問題中，這三種多相流問題存在空間和時間上變化的可能，軟件根據(jù)兩相之間的存在狀態(tài)可以自動采用不同的多相流模型，提升計算準確性。

利用高精度的界面捕捉技術(shù)進行數(shù)值仿真計算，可以計算不同毛細數(shù)(capillary number)對微通道內(nèi)氣泡形狀的影響，以及計算由于表面張力的不同引起質(zhì)量移動的馬蘭戈尼效應。

3. 成果及效益

通過使用軟件對環(huán)路熱管進行相變換熱仿真，其蒸發(fā)器和冷凝器的溫度變化與試驗結(jié)果趨勢一致，其中蒸發(fā)器的壁溫與試驗值偏差基本控制在1.5℃以內(nèi)。同時，針對熱管內(nèi)部的微小通道結(jié)構(gòu)，試驗測量難度大、測試設備成本高等問題，通過相變的仿真計算，可以高精度模擬毛細力現(xiàn)象、蒸發(fā)器的液體沸騰換熱現(xiàn)象以及冷凝器的高溫蒸汽冷凝現(xiàn)象，準確預測氣液兩相的體積分數(shù)、介質(zhì)以及壁面的溫度。

此外，通過仿真手段，有效的減少熱管設計前期的部件和整體試驗次數(shù)，研發(fā)周期縮短2/3，整體的人力成本和試驗設備成本減少一半以上。

通過一段時間的使用，客戶給予了積極的反饋：“軟件可自動生成笛卡爾網(wǎng)格，比Fluent等軟件節(jié)約一半以上的時間；同時，具備多種蒸發(fā)和冷凝等相變算法，能夠運用在不同的場景；軟件還可以針對不同的材料，進行多孔介質(zhì)和毛細力計算，這點優(yōu)于同類軟件；軟件能夠較為逼真的復現(xiàn)熱管相變冷卻的整個流程和現(xiàn)象，達到國際主流cfd軟件的計算精度。”

方案總結(jié)

本軟件可以對流體回路的部件及換熱器等進行微觀的氣液兩相、單相、流固耦合等模擬仿真計算，提取所仿真的物理現(xiàn)象及趨勢，并與理論計算比較驗證。以用戶提供的某型熱管物理參數(shù)為輸入，可以仿真計算該型熱管隨著功率變化的瞬態(tài)溫度變化趨勢，仿真獲得的結(jié)果與用戶提供的實驗結(jié)果相比較，趨勢一致。

相變和瞬態(tài)計算的精度和收斂性，一直以來都是流體仿真的難點。本軟件通過算法和工程實踐相結(jié)合，可以高精度的模擬環(huán)路熱管中吸液芯的毛細現(xiàn)象、蒸發(fā)冷凝等相變過程，填補國產(chǎn)軟件在這個領域的空白，同時計算精度和效率比肩國外主流軟件。

基于軟件在沸騰換熱、冷凝換熱和毛細力現(xiàn)象等方面有高精度的預測能力，所以可以在化工、核電、汽車、電子電器、生物等相變換熱場景較多的行業(yè)進行推廣應用。

審核編輯 黃宇